清华易陈谊揭秘PSCs自组装空穴传输材料锚定基团效应的第一性原理

主要内容

自组装分子（SAMs）已被广泛用作倒置钙钛矿太阳能电池的空穴选择层。针对该领域材料设计的精准性需求，清华大学易陈谊带领其团队开展系统研究，创新性地设计了八种含不同酸性锚定基团的空穴选择化合物，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，全面探究了这些分子的本征特性及其在典型氧化铟锡（ITO）表面的锚定效应，涵盖吸附结构、电子态及能级匹配等关键方面。

研究发现，八种锚定基团中，硅酸基、氰基乙酸基、氰基磷酸基和磷酸基的吸附能力最为突出，且自组装分子的吸附能与锚定基团的脱氢数量呈正相关——脱氢数量的增加会显著提升分子在ITO表面的吸附容量。此外，SAMs的吸附还能有效改变ITO的功函数（WF），这一发现为通过锚定基团工程调控透明导电氧化物衬底的功函数、进而优化其与钙钛矿的能级匹配、提升器件性能提供了潜在策略。

高温从头算分子动力学（AIMD）模拟结果显示，含磷酸基和硅酸基锚定基团的SAMs热稳定性最优，将其用作空穴传输材料可有效增强钙钛矿器件的热稳定性；而对SAMs/甲脒铅碘（FAPbI₃）吸附体系的研究则表明，氰基乙酸基锚定基团具有最大吸附能。

总体而言，该理论计算不仅揭示了传统磷酸基SAMs的优势成因，更证实了硅酸基和氰基乙酸基作为SAMs锚定基团的潜在应用价值。研究既对多种酸性锚定基团进行了全面系统的对比分析，也为通过精准设计自组装分子优化钙钛矿太阳能电池性能提供了重要理论指导与实践参考，彰显了定制化SAMs在高性能钙钛矿器件中的巨大应用潜力。

文献信息

A First-Principles Study of Anchoring Group Effects of Self-Assembled Hole Transport Materials for Perovskite Solar Cells

Yue Liu, Boxin Jiao, Minghao Li, Ruimao Hua, Chenyi Yi

https://chemistryeurope.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cphc.202400889